SQL执行计划解析（1）- 执行计划基础（上）
执行计划，简单的说就是查询优化器计算的结果，表示执行被提交查询的效率最高的方式。执行计划告诉你查询是如何被执行的，因此它是DBA诊断低性能查询的基础手段。
1.查询提交后发生了什么
当查询被提交到Sql Server DataBase之后，很多过程就开始工作，最终目的是将数据尽快返回给用户或者存储起来，同时保持数据的一致性。这些过程为每个提交到服务器的查询服 务，因而有很多的不同的动作同时发生在服务器上，我们只关注T-SQL相关的事情，粗略的分为两个阶段：
- 关系引擎（relational engine）中发生的过程
- 存储引擎（storage engine）中发生的过程
在关系引擎中，查询优化器解析和处理查询，产生执行计划，然后执行计划被送到存储引擎（二进制方式），存储引擎使用执行计划来获取或更新数据。锁定、索引维护、事物等都发生在存储引擎里头。由于执行计划是由关系引擎产生的，我们将主要关注关系引擎。
1.1查询解析
T-sql查询到达服务器后去的第一个地方就是关系引擎，它被传递给一个进程来检查拼写和形式，这个处理进程就是查询解析过程。解析过程的输出是一个解析树。解析树代表了执行查询的逻辑步骤。如果T-sql语句不是一个数据操纵语言（DML)声明就不会被优化，举个例子，对于创建table，系统只有一种“正确”的方式，那么就没有机会 来提升性能。如果T-sql是DML声明，解析树就被传递给一个叫algebrizer的进程，algebrizer解析查询引用到的所有的对象、表、列 的名字，并且识别列的类型（varchar(50) vs nvarchar(25)等），除此之外还要执行一个叫做聚合绑定 的过程来决定聚合的位置。algebrizer进程很重要，因为查询里可能包或了别名、同义词或者不存在的名字，这些需要被解析，或者查询引用了不存在的对象。algebrizer的输出是query processsor tree，二进制形式，然后被传递给了查询优化器。
1.2查询优化器
查询优化器决定了数据能否访问索引、使用哪种连接还有其他很多东西。这种决定是基于开销的，所需的cpu、io等。查询优化器将会产生并评估很多的 计划（除非cache里已经有了），一般来说，选择开销最低的那个，比如运行最快，使用最少的资源、cpu、I/O的那个。执行速度仍然是最重要的因素， 如果能够更快返回结果，优化器会选择cpu密集型的过程。有时候优化器也会选择效率较低的计划，如果它认为花时间去评估很多的执行计划还不如采用较低效率 的过程。如果你提交了一个非常简单的查询，比方说，单表查询、没有索引、没有聚合、没有计算，那么优化器就不会花时间来计算优化，而是简单的使用trival plan。
如果查询是非Trival的，那么优化器就会计算开销然后选择一个计划。因此它需要依赖sql server服务器维护的统计数据。统计数据是数据库收集的关于列和索引的数据，它描述了数据的分布（distribution）、唯一性（uniqueness）和选择性 （selectivity）。构成统计数据的信息使用一个直方图（histogram）和表格（tabulation）来表示，它是从200个平均分布的 数据点（data Points）取出来的表示特定数据的出现次数。这种“关于数据的数据”给优化器提供了计算所需的必要信息。
如果列和索引相关的统计数据存在，那么优化器就会使用它们来计算。缺省地，系统会为所有索引和那些用作谓词（predicate）、where子句的一部 分、join on子句的一部分的列创建和更新统计数据。Table变量不会产生统计数据，优化器始终假定它只有一行而无视它真正的大小。临时表有统计数据，和永久表的 统计数据存储在同一个直方图里供优化器使用。
优化器使用这些统计数据和query processor tree一起决定最佳的执行计划。这就意味着，它需要测试一系列的计划，测试不同的join类型，组织join的顺序，尝试不同的索引等等，直到达成它认 为的最快的执行计划。在这个计算中，每一步都赋予了一个数值，代表了优化器预估的时间开销（estimated cost），每一步的开销加起来就是执行计划的开销。
有必要指出，预估的开销毕竟是预估的，如果有无限的时间和完整的最新的统计数据，优化器就能找到执行查询的完美计划，但是优化器是试图在最短的时间 找到最佳的执行计划，并且明显的，可用的统计数据的质量也是有限的，因此，虽然这个开销估算是个非常有用的手段，但是不能精确的反映现实。
优化器决定执行计划后，实际的执行计划就被创建并且存储进内存空间plan cache，除非相同的执行计划cache里已经存在。优化器产生可能的执行计划（potential plans），和cache里边已经存在的进行比较，如果匹配就是用cache里边的那个。
1.3查询执行
执行计划产生后，操作就转移到了存储引擎，在这里根据执行计划实际执行查询。这里不再详细讨论，除了一点，千辛万苦生成的执行计划和设计执行的可能并不一样，比方说一下情景：
- 执行计划超出了并行执行（parallel execution）的界限
*parallel execution 利用多处理器提高执行效率
- 统计数据过期或者发生了改变
1.4预估的和实际的执行计划
如前所述，有两种不同的执行计划，第一个是由优化器产生的预估的执行计划（Estimated execution plan），操作符和步骤被贴了Logical标签，代表了优化器的观点，另一个是实际的执行计划(Actual execution plan),代表了实际发生的事情。
1.5重用执行计划
服务器产生执行计划开销是昂贵的，可能的情况下Sql Server会尽量保持和重用执行计划。执行计划生成后就被存储进内存Plan Cache。
执行计划并不是永久驻留内存，它们会慢慢地根据age变化从系统消失，age的计算公式为执行计划的预估开销*被使用的次数，例如一个计划它的开销 是10，被引用了5次，那么它的age值就是50。延迟写入（lazywriter）进程负责释放所有类型的cache（包括plan cache），它周期性地扫描cache里的对象，并每次减去一定的age值。如果达到下列条件，执行计划将会从内从中被清除：
1、系统需要更多内存
2、age值达到了0
3、执行计划没有被任何连接（connection）所引用
执行计划也不是不可改变的，有些事件或动作会迫使执行计划重新编译。记住这些很重要，因为重新编译执行计划的开销可能非常大，下面的动作会导致执行计划重新编译：
1、改变查询中引用的表的结构或schema
2、改变了查询中用到的索引
3、删除了查询中用到的索引
4、更新了查询用到的统计数据
5、调用了函数sp_recompile
6、对查询用到的表的keys进行了大量insert或delete操作
7、对带有触发器的表，因inserted和deleted导致的明显增长
8、一个查询中混合了ddl和dml
9、查询执行中改变了SET选项
10、改变了查询使用的临时表的结构或schema
11、改变了查询中用到的动态试图（dynamic views）
12、改变了查询中的游标选项
13、改变了远程行集，就像在分布式分割试图（distributed partitioned view）里边
14、使用客户端游标时，改变了FOR BROWSE选项
1.6为何预估和实际的执行计划可能不同
一般情况下，你看到的预估执行计划和实际执行计划很可能是一样的，然而当环境改变时可能会导致二者的不同。
- 陈旧的统计数据
统计数据和实际数据间的差异是导致两个执行计划不同的主要原因。通常发生在有数据插入和删除，改变了索引的键值以及分布。
为了降低操作成本，原子性的统计数据操作是取样于数据的子集。这就意味着，随着时间推移，统计数据就越来越不能准确反映实际数据。
这不仅会导致两个执行计划间的差异，还会导致产生“坏”的执行计划。 - 非法的预估执行计划
某些情况下，预估的执行计划根本无法工作，比如下边的例子：
CREATE TABLE TempTable
(
Id INT IDENTITY(1, 1)
,Dsc NVARCHAR(50)
);
INSERT INTO TempTable ( Dsc )
SELECT [Name]
FROM [Sales].[Store];
SELECT *
FROM TempTable;
DROP TABLE TempTable;你会得到一个错误
Msg 208, Level 16, State 1, Line 7
Invalid object name 'TempTable'.优化器用于产生预估的执行计划，并不执行那个T-Sql。当通过algebrizer来运行声明的时候，由于查询并没有被执行，临时表并不存在，这就会导致错误。
- 请求并行计算
计划遇到并行计算的瓶颈时，会创建两个计划，实际执行哪个取决于查询引擎。所以你可能在预估执行计划里看到有（或没有）并行操作符。当计划实际被执行时，
查询引擎决定了要么它不支持并行计算或者调用并行查询后，你可能看到一个完全不同的计划。
1.7执行计划的格式
1、图形方式
2、文本方式
SHOWPLAN_ALL
SHOWPLAN_TEXT
STATISTICS PROFILE
3、Xml方式
SHOWPLAN_XML
SQL执行计划解析（1）- 执行计划基础（下）
Getting Started
如果你不是sysadmin、dbcreator、db_owner，那么你需要权限查看执行计划
GRANT SHOWPLAN TO [username]
第一个例子非常简单，打开management studio,键入以下查询
SELECT *
FROM [dbo].[DatabaseLog];
点击动作条上Display estimated Execution Plan按钮，就看到了我们的第一个预估执行计划
图1-1
我们稍后再加以解释，现在我们再抓一个实际的执行计划，和预估的执行计划不同，实际的执行计划并不代表优化器的计算结果，而是代表了查询执行时实际发生的事情，通常两者是一样的，但是有时也不一样，这取决于存储引擎对执行计划的修改。点击Include Actual Execution Plan按钮使之处于激活状态，点击Execute。
我们这个例子里预估的执行计划和实际的执行计划是一致的。 左边的SELECT图标你将来会看到很多，通常可以忽略掉，它表示来自关系引擎的最终结果和格式（formatting）。
右边的Table Scan图标是第一个也是最容易查找的图标。 通常我们会从右到坐、从上到下地读一个图形执行计划。图标之间的意思是代表运算符（operator）之间的数据传递。
这个例子里边，我们只有一个Table Scan运算符产生了结果集。箭头的宽度代表了数据量的大小，箭头越宽意味这更多行的数据。这种可视的方式可能会给你错误的印象，你可以将鼠标悬停于箭头之上来查看它所代表的数据的具体行数。 每个图标下边都有个百分数，代表了该运算符相对于整个查询的开销，注意，这是个比率不是实际的数字，即使是0%也会有微小的开销。图标上边有个百分数表示查询在批量查询中的开销百分比，可以使用批量查询执行多个查询并获取执行计划。
ToolTips
每个图标和箭头都有一个与之关联的弹出窗口即ToolTips，鼠标悬停于其上就可以看到。预估执行计划中鼠标悬停于SELECT图标之上就会看到下图1-3.
如图，优化器产生了以下几个数字
- Cached plan size -- 查询产生的执行计划将会占用stored procedure cache的多少内存，当你调查cache性能的时候这是个很有用的数字，用它能够查看哪些执行计划占用了更多的内存。
- Estimated Operator Cost --我们在图1-1中已经看到了这个开销百分比。
- Estimated Subtree Cost -- 它代表了前面的步骤到此步骤累计的开销，记得从右到坐读。这个数字对真实世界没有意义，它只是查询优化器用来决定运算符开销的算术评估值，它代表了优化器认为的运算符需要花费多少时间。
- Estimated Number of Rows -- 基于统计数据计算而出
- 上述信息下边还有sql声明
Table Scan的ToolTips如下图1-4
图1-4
Logical Operation 代表了优化器的计算结果，即优化器认为的查询执行时应该发生什么操作，而Physical Operation代表了实际发生了什么操作，一般来说两者是一致的，但也有例外，第二章有更多讨论.
然后是I/O、CPU、Operator、Subtree的预估开销，Subtree就是执行树中到当前为止的部分。所有的预估都是基于列和索引的统计数据。I/O Cost 和CPU cost不是实际的运算符，而是查询优化器在计算中分配的开销数字。这些数字有助于确定开销是I/o密集型还是cpu密集型。你可能注意到Operator Cost 和Subtree Cost是一样的，这是因为Table Scan是我们唯一的运算符。Ordered布尔值表示数据是否处于排序状态。NodeID 节点序数，顺序是从左到右的，尽管阅读的最好方式是从右到坐。
运算符属性
右键点击图标，选properties，可以看到更多信息，多数我们已经遇到了，不过还有些新的。
图1-5
Defined Values显示了该操作向过程追加的信息，这些信息可能是基本查询的一部分，我们这个例子里是被选中的列，也可能是查询过程中内部创建的值，比方说一些确定内部引用完整性的标记，也可能是聚合函数计数的占位符。Estimated Rebinds和Rewinds这两个值是执行计划里init()被调用的次数。Foreced Index，使用query hint强制使用某个索引的时候为True。Sql Server通过query hint提供了一些功能，使用户可以对如何执行查询进行某些控制。NoExpandHint 此项的概念和Forced Index基本相同，只不过是用于索引视图。
文本执行计划和Xml执行计划
要想获取文本执行计划，在查询开始加上一个命令就可以了
SET SHOWPLAN_ALL ON;
关闭文本计划，使用
SET SHOWPLAN_ALL OFF;
获取实际的文本计划，使用
SET STATISTICS PROFILE ON
和
SET STATISTICS PROFILE OFF
获取实际的和预估的xml执行计划，使用
SET SHOWPLAN_XML ON
和
SET SHOWPLAN_XML OFF
ps:关于文本和Xml执行计划的更多细节就略过了
使用Sql Server Profiler自动捕获执行计划
在开发阶段，我们可以通过上述几种方式来捕获执行计划。但是在测试服务器或者运行中的服务器，可能并不允许我们这样做，Sql Server2005中可以使用Profiler在运行查询的同时捕获Xml执行计划。
Profiler是一个强大的工具，使用户可以捕获关于事件的数据。Profiler的事件可以通过GUI界面进行手动跟踪，也可以自己定义跟踪，并在特定的时间自动运行。这些跟踪信息可以通过屏幕查看，也可以发送到文件或数据库的表中。
执行计划事件
- Showplan Text : 此事件在每次查询时均触发，生成的计划类型和Showplan_Text声明相同，是Showplan Xml生成的内容的子集。
- Showplan Text (unencoded) : 同上，不过此事件是以字符串形式展示信息而不是二进制方式。
- Showplan All : 此事件在每次查询时均触发，生成的计划类型和Showplan_all声明相同.
- Showplan All for Query Compile : 此事件生成的数据和Showplan All相同，不过此事件仅在查询编译时触发。
- Showplan Statistics Profile：此事件生成实际的执行计划，方式和T-Sql命令Statistics Profile相同。它生成的信息是Statistics Xml命令或Showplan Xml Statistics Profile事件的子集。
- Showplan Xml：此事件在每次查询时均触发，产生一个预估的执行计划，同Showplan_Xml.
- Showplan Xml for Query Compile: 同上，仅在查询编译时触发。
- Performance Statistics：和Showplan Xml for Query Compile 类似，此事件不仅捕获执行计划也捕获性能测量数据。此事件仅捕获其中定义的子事件类的Xml输出。此事件在第一次进入Cache时、编译时、重编译时以及从Cache里移除时触发。
- Showplan Xml Statistics Profile：此事件在每个查询运行时产生其实际的执行计划。
使用Showplan xml或者Showplan Xml Statistics Profile捕获所有的执行计划毫无疑问会增加服务器的负担，这些都不是轻量级的事件。即使使用不常用的Showplan Xml for Query compile也会导致小的性能下降。谨慎使用。
捕获Showplan Xml跟踪
启动Profiler -> 新建一个跟踪并连接到服务器 –> 切换至Events Selection标签页 –> 勾选Show all events复选框 –> 点击+号展开Performance部 –> 勾选Showplan xml事件
现在就可以在Profiler里捕获Showplan xml事件了，通常同时捕获一些其他的基本事件会有用处，如:RPC:Completed, SQL:BatchStarting,SQL:BatchCompleted等。
图1-6
当勾选了Showplan Xml事件之后，第三个标签页就出现了，在那里可以指定将输出的Xml发送往独立的文件。
点击Run启动跟踪，当有查询执行时就可以获得类似下图的结果
图1-7
TextData列里就是实际的Xml执行计划。选中的时候下边的窗口就出现了图形执行计划。你可以右键点击然后选择Extract Event data来将计划存到另外的文件里。